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2022-03-21 11:48賈一鳴張晨思趙松松
保鮮與加工 2022年3期
鮑 勇，賈一鳴，張晨思，蔡 茅，趙松松
（1.佛山市技師學(xué)院，廣東 佛山 528000；2.天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134；3.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）
冷庫作為冷凍冷藏業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠有效延長食品的保存期[1-5]，保證食品的外觀和營養(yǎng)成分不流失。冷庫在運(yùn)行時(shí)，貯藏量通常會(huì)有動(dòng)態(tài)的變化，如果系統(tǒng)的制冷量不能隨之進(jìn)行調(diào)整，就會(huì)造成冷庫運(yùn)行效率的下降。變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)通過壓縮機(jī)并聯(lián)、控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、壓縮機(jī)多氣缸切換或卸載等方法可以實(shí)現(xiàn)冷媒流量的調(diào)節(jié)，從而調(diào)整系統(tǒng)制冷量。冷媒流量的動(dòng)態(tài)變化需要較高精度的控制，否則容易造成庫溫和蒸發(fā)器過熱度波動(dòng)較大的問題。所以，變?nèi)萘扛呔瓤刂评鋷煜到y(tǒng)的研究對(duì)于提高冷庫適用范圍及降低貯藏成本具有重要意義。
目前常見的冷庫調(diào)節(jié)方法有壓縮機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、壓縮機(jī)變頻調(diào)節(jié)以及熱氣旁通調(diào)節(jié)。壓縮機(jī)并聯(lián)調(diào)節(jié)主要通過兩個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)的啟停來匹配系統(tǒng)的冷負(fù)荷變化。學(xué)者們研究了并聯(lián)壓縮機(jī)系統(tǒng)的控制技術(shù)，發(fā)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的壓縮機(jī)存在回油困難、回油不均的問題，而且制冷系統(tǒng)的成本會(huì)增加很多[6-8]。變頻壓縮機(jī)通過變頻器調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)庫溫的控制，Seibel等[9]、Hamad等[10]和Kuk等[11]對(duì)變頻壓縮機(jī)應(yīng)用于制冷系統(tǒng)中的情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)使用變頻壓縮機(jī)可以節(jié)約能源，一定程度上提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，但變頻壓縮機(jī)的使用需要增設(shè)各種閥件，增加了管路復(fù)雜程度，同時(shí)變頻器的電路板存在過熱失效的風(fēng)險(xiǎn)，增加了系統(tǒng)的故障率。有研究通過熱氣旁通來解決冷藏箱的結(jié)霜問題，并指出熱氣旁通開度和化霜效率之間存在的聯(lián)系[12-15]。目前國內(nèi)外針對(duì)熱氣旁通用于冷庫變?nèi)萘空{(diào)節(jié)的研究較少。熱氣旁通變?nèi)萘空{(diào)節(jié)容易使蒸發(fā)器的溫度產(chǎn)生波動(dòng)，如何精確地控制熱氣旁通的流量進(jìn)而穩(wěn)定蒸發(fā)器的溫度是目前研究的難點(diǎn)[16-18]。
本文通過熱氣旁通的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變?nèi)萘空{(diào)節(jié)。使用ANSYSFluent軟件對(duì)系統(tǒng)流場(chǎng)分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，以保證較好的溫度分布均勻性。將傳統(tǒng)熱力膨脹閥替換為電子膨脹閥，保證了溫控調(diào)節(jié)的精度與響應(yīng)速度。使用比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制邏輯來實(shí)時(shí)調(diào)整熱氣旁通高低溫制冷劑混合的比例，以達(dá)到不同貯藏溫度的需求。試驗(yàn)中通過對(duì)冷庫進(jìn)行速凍、冷凍、預(yù)冷功能的切換，查看庫溫的變化及波動(dòng)情況；在冷凍模式下設(shè)定溫度為-2℃，通過控溫后溫度波動(dòng)的大小來比較控制精度的高低；在相同的環(huán)境中控溫，比較傳統(tǒng)冷庫和變?nèi)萘坷鋷斓墓牟顒e。
1 冷凍冷藏系統(tǒng)
1.1 流場(chǎng)仿真
為了提高溫濕度控制的精度，庫體內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性需要得到控制，通過ANSYSFluent R18.2建立冷庫模型，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，從而對(duì)冷庫內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行模擬。通過調(diào)整頂部出風(fēng)口多孔材料的開孔率，使冷庫內(nèi)部氣流組織有較好的均勻性。在冷庫中和風(fēng)道處各布置5處熱線風(fēng)速儀，用于驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。
圖1為冷庫的外形結(jié)構(gòu)示意圖，外形尺寸長×寬×高=4.5 m×3.5 m×5.5 m，冷庫頂部分別為兩個(gè)條形送風(fēng)口，取送風(fēng)口的多孔結(jié)構(gòu)開孔率為0.9，送風(fēng)口寬0.3 m，頂部由兩臺(tái)冷風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)道進(jìn)行送風(fēng)，每臺(tái)最大風(fēng)量為10 000 m3/h，功率為400 W，冷風(fēng)由頂部送風(fēng)口吹出，再由冷庫底部回風(fēng)。
圖1 冷庫結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagramof cold storage structure
為取得較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，作以下假設(shè)：
（1）冷庫內(nèi)部空氣為不可壓縮的理想氣體；
（2）冷庫為空庫，不存放貨物；
（3）冷庫內(nèi)流場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。
數(shù)學(xué)模型采用工程上常用的K-epsilon（2 eqn），壓力及速度采用SIMPLE算法，動(dòng)量及能量方程用一階迎風(fēng)格式離散化，控制方程如下：
式中：ρ為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；φ為速度，m/s；溫度（K）等通用變量；V為各方向的速度，m/s；S為動(dòng)量或能量方程的源項(xiàng)，即控制方程中的非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)，動(dòng)量方程中源項(xiàng)的單位為N/m3，能量方程中源項(xiàng)的單位為W/m3。
邊界條件的設(shè)置如下：兩個(gè)風(fēng)機(jī)送風(fēng)口為入口邊界，采用入口速度3 m/s，溫度設(shè)置為0℃，冷庫下方回風(fēng)口為壓力出口條件，速度按無滑移條件處理，壁面各方向速度為0，其余參數(shù)條件取軟件默認(rèn)值。
1.2 制冷系統(tǒng)
如圖2所示，制冷系統(tǒng)采用VZH-044型丹佛斯變頻渦旋壓縮機(jī)，選用R404A制冷劑，系統(tǒng)包括3種運(yùn)行模式——高溫、中溫和低溫模式。配備大尺寸蒸發(fā)器和噴液冷卻器用于低溫模式，小尺寸蒸發(fā)器則用于高溫模式，同時(shí)除霜時(shí)蒸發(fā)器交替運(yùn)行。低溫模式時(shí)，制冷劑從儲(chǔ)液器進(jìn)入噴液冷卻器，實(shí)現(xiàn)過冷的效果，得到更低的蒸發(fā)溫度。部分制冷劑從噴液冷卻器中直接進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的排氣溫度得以降低，從而提高壓縮機(jī)的性能。
圖2 制冷系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagramof the refrigeration system
中溫模式下，在低溫模式的基礎(chǔ)上添加智能控制的熱氣旁通閥，電動(dòng)控制閥（ALCO-EX5）用來控制熱氣旁通，當(dāng)部分高溫高壓制冷劑和低溫低壓兩相制冷劑混合，相應(yīng)會(huì)增加蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度，實(shí)現(xiàn)中等負(fù)載下系統(tǒng)的運(yùn)行。高溫模式則將蒸發(fā)器轉(zhuǎn)換為小尺寸，通過智能控制的變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥來實(shí)現(xiàn)溫濕度的精準(zhǔn)控制，使蒸發(fā)溫度進(jìn)一步提高到0℃以上，達(dá)到對(duì)采后果蔬預(yù)冷和冰溫貯藏的目的。
在高溫模式下，冷庫對(duì)果蔬的預(yù)冷及冷藏能夠快速達(dá)到溫度的穩(wěn)定，一方面得益于PID控制邏輯的溫度調(diào)控；另一方面是由于制冷系統(tǒng)中采用了熱氣旁通來輔助控溫。庫內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）中，經(jīng)由PID控制邏輯處理后輸出調(diào)整后的庫溫，進(jìn)而改變熱氣旁通閥以及電磁膨脹閥的開度，熱氣旁通閥在系統(tǒng)從低溫或中溫模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷仡A(yù)冷模式時(shí)能起到快速調(diào)節(jié)庫溫的作用。傳統(tǒng)預(yù)冷庫通過控制壓縮機(jī)的啟停來調(diào)節(jié)庫溫，溫度波動(dòng)較大，且?guī)鞙睾茈y長時(shí)間地穩(wěn)定在設(shè)定值。本系統(tǒng)中通過電磁膨脹閥和PID控制邏輯相配合，相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)的熱力膨脹閥也較好地提高了溫控響應(yīng)的速度，縮短了溫度調(diào)節(jié)時(shí)間，使庫溫波動(dòng)快速趨于穩(wěn)定。
采用安裝在庫體頂部的多孔板進(jìn)行送風(fēng)，下方均勻布置加濕管道，庫體底部的側(cè)邊還均勻分布了許多百葉結(jié)構(gòu)，保證庫體內(nèi)部溫濕度的均勻性。采用益加義公司產(chǎn)的EE21型溫濕傳感器，并將5個(gè)分布在庫體內(nèi)的傳感器溫濕度的平均值作為庫體當(dāng)前的溫濕度參數(shù)。
除制冷系統(tǒng)外，冷庫還配備了除霜系統(tǒng)，在除霜開始運(yùn)行時(shí)，供風(fēng)機(jī)、回風(fēng)風(fēng)機(jī)和安裝在風(fēng)道中的電動(dòng)空氣閥均被關(guān)閉，以防止熱量和水汽進(jìn)入到貯藏室。隨后電加熱裝置運(yùn)行，循環(huán)風(fēng)機(jī)和裝在大容量蒸發(fā)器兩側(cè)的電動(dòng)空氣閥被開啟。電加熱裝置運(yùn)行期間，循環(huán)風(fēng)機(jī)使得熱氣流被迫在旁路進(jìn)行循環(huán)，達(dá)到除霜的效果。
1.3 熱氣旁通控制方法及邏輯
PID由于具有出色的控制效果和較強(qiáng)的魯棒性而得到廣泛的應(yīng)用。將PID邏輯控制應(yīng)用于系統(tǒng)旁通調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)旁路中，通過將部分高溫制冷劑和進(jìn)入蒸發(fā)器前的制冷劑混合，提高了進(jìn)入蒸發(fā)器前制冷劑的焓值。通過熱氣旁通閥對(duì)制冷劑混合的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，將貯藏庫溫度作為返回值和控制對(duì)象，由PID控制策略對(duì)旁通閥進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的庫體溫度。
由圖3所示，通過引入熱氣旁通的比例因子x，可以控制由壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體和經(jīng)熱氣旁通閥后的低溫低壓兩相工質(zhì)混合的比例，假設(shè)混合過程是絕熱，根據(jù)能量守恒及質(zhì)量守恒定律可得：
式中：x為工質(zhì)旁通比例因子；m為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；h為焓值，kJ/kg；Qevap為制冷量，kJ/s；COP為制冷性能系數(shù)；下標(biāo)數(shù)字代表熱氣旁通壓焓圖（圖3）中的各個(gè)過程。
圖3 制冷系統(tǒng)熱氣旁通壓焓圖Fig.3 Pressure and enthalpy diagramof refrigeration system with hot gas bypass
PID控制的旁通因子升高，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度會(huì)隨之升高，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式從低溫模式到高溫模式的轉(zhuǎn)換，同時(shí)冷凝器的熱負(fù)荷和壓縮機(jī)功率降低，既實(shí)現(xiàn)了溫度調(diào)節(jié)，又提高了運(yùn)行的效率。
由PID邏輯控制的電子膨脹閥能夠通過改變蒸發(fā)溫度進(jìn)而對(duì)庫溫進(jìn)行調(diào)整。與此同時(shí)，壓縮機(jī)的變頻器也會(huì)立即調(diào)節(jié)制冷劑流量從而控制過熱度的變化。制冷劑的流量則通過步進(jìn)電機(jī)直接控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)又會(huì)根據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊（EXD-U00）中的信息進(jìn)行工作。對(duì)于變速渦旋壓縮機(jī)，將冷庫的溫度設(shè)定為控制對(duì)象。渦旋壓縮機(jī)的頻率由變頻器驅(qū)動(dòng)（VLT-CDS803）控制在30～100 Hz之間。S7-300 PLC則用于控制基于PID理論的驅(qū)動(dòng)模塊和變頻器。
1.4 測(cè)試儀器及方法
冷庫內(nèi)的溫度采用PT100熱電偶進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，測(cè)溫范圍為-40～200℃，精度為0.5%。庫內(nèi)濕度采用工業(yè)濕度儀，量程為0～99，精度為±3%RH。庫內(nèi)流場(chǎng)速度值采用TES熱線風(fēng)速儀，測(cè)量范圍0～30 m/s,精度為3%。蒸發(fā)器的過熱度通過取測(cè)量蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度的差值求得。壓縮機(jī)功率由UNI-T功率計(jì)量插座得到，測(cè)量范圍為0.5～2 200 W，精度為1%。
上機(jī)位WINCC軟件用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)如壓縮機(jī)流量、溫度的監(jiān)控；S7-200 PLC實(shí)現(xiàn)熱氣旁通比例的精確控制，通過PID邏輯對(duì)電子膨脹閥進(jìn)行調(diào)控。
2 結(jié)果與分析
2.1 流場(chǎng)仿真結(jié)果
送風(fēng)格柵的開孔率以及尺寸大小直接影響了冷庫內(nèi)部的氣流分布情況，較好的風(fēng)機(jī)擺放位置及送風(fēng)回風(fēng)結(jié)構(gòu)可以使庫體內(nèi)部的流場(chǎng)更加均勻，有助于降低冷庫的能耗以及保證冷藏貨物的貯藏品質(zhì)，通過CFD軟件對(duì)庫內(nèi)的氣流組織情況進(jìn)行模擬，可優(yōu)化庫內(nèi)流場(chǎng)，改善庫溫不均的問題，提高控制的精度。庫體內(nèi)部矩陣分布設(shè)置5處風(fēng)速測(cè)速點(diǎn)，與最終仿真的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。
圖4為冷庫貯藏室的氣流速度云圖，冷藏庫體中的平均風(fēng)速約為1.28 m/s，風(fēng)道處的風(fēng)速平均為2.67 m/s。兩送風(fēng)口由于水平對(duì)稱布置，速度場(chǎng)呈現(xiàn)左右對(duì)稱分布，各自形成一個(gè)渦流，渦流的產(chǎn)生使得庫體內(nèi)部的氣流組織速度更加均勻，相比于一側(cè)進(jìn)風(fēng)一側(cè)出風(fēng)的設(shè)計(jì)，庫內(nèi)的溫濕度傳感器所得數(shù)據(jù)更加能代表庫體內(nèi)部整體的平均溫濕度，即整體溫度均勻性更高，從而使PID反饋數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，控制精度更高。
圖4 冷庫貯藏室的氣流速度Fig.4 Airflow velocity in thecold storageroom
表1為風(fēng)速儀的測(cè)量結(jié)果，貯藏庫內(nèi)部的平均送風(fēng)風(fēng)速為1.17 m/s，平均回風(fēng)風(fēng)速為2.76 m/s。因此可知，通過本仿真模型可以較為準(zhǔn)確地模擬貯藏冷庫內(nèi)部的流場(chǎng)分布，誤差在9%以內(nèi)，通過仿真結(jié)果對(duì)比確定當(dāng)送風(fēng)格柵開孔率為0.9，格柵高0.3 m時(shí)，庫內(nèi)的氣流組織有較好的均勻性。
表1 冷庫貯藏室風(fēng)速儀測(cè)定結(jié)果Table 1 Wind speed measured by anemometer in cold storage room 單位：m/s
2.2 控制響應(yīng)速度與精度
圖5顯示的是冷凍模式下系統(tǒng)蒸發(fā)器過熱度的變化。由圖可知，當(dāng)系統(tǒng)中控溫模式發(fā)生轉(zhuǎn)變或者庫溫發(fā)生變化時(shí)，PID邏輯控制的電子膨脹閥能夠迅速響應(yīng)，在7 min之內(nèi)將過熱度控制穩(wěn)定，控制的精度約為±0.1℃。圖6反映了貯藏室溫濕度隨時(shí)間變化的曲線，相對(duì)濕度設(shè)定為85%，控制精度在±1%以內(nèi)，并呈周期性波動(dòng)。經(jīng)過約25 min的PID調(diào)節(jié)，溫度最終穩(wěn)定，控制精度在±0.2℃以內(nèi)。
圖5 蒸發(fā)器過熱度變化Fig.5 Evaporator superheat changes
圖6 冷庫貯藏室溫濕度變化Fig.6 Temperature and relative humidity changesin cold storage room
圖7為速凍、冷凍、預(yù)冷3種模式的切換，在低溫模式，壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，約140 min后降溫至-30℃，滿足食品、藥品等產(chǎn)品的速凍需求，速凍后的食品需要在冷凍溫度下進(jìn)行儲(chǔ)藏；切換到冷凍模式，PLC控制熱氣旁通閥開度，在進(jìn)入壓縮機(jī)前的制冷劑中混入一定比例的高溫高壓制冷劑，從而快速調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度，蒸發(fā)器的溫度高于貯藏室溫，其熱量將被貯藏室吸收，進(jìn)而導(dǎo)致貯藏室的溫度提高，經(jīng)過一段時(shí)間的溫升，庫溫逐漸穩(wěn)定在-18℃，即進(jìn)入冷凍狀態(tài)。之后打開庫門，轉(zhuǎn)換運(yùn)行蒸發(fā)器為小尺寸，這樣可進(jìn)一步提高庫溫，使庫內(nèi)溫度平衡在4℃左右，此時(shí)冷庫可以滿足差壓預(yù)冷的功能，對(duì)剛采摘的果蔬進(jìn)行預(yù)冷。
圖7 壓縮機(jī)排氣溫度及冷庫溫度Fig.7 Compressor discharge temperature and cold storage temperature
相比傳統(tǒng)冷凍庫通過單純的變頻控制難以快速地響應(yīng)運(yùn)行模式的切換，此變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)從-31℃升溫到-18℃只需要10 min，此時(shí)壓縮機(jī)的排氣壓力迅速降低，排氣溫度也同時(shí)有較大降低。智能控制的熱氣旁通閥使得貯藏庫的溫度保持穩(wěn)定，溫度波動(dòng)低于0.4℃。在速凍過程中壓縮機(jī)排氣溫度超過60℃，而在冷凍過程中，PID算法控制的電子膨脹閥最終將溫度保持在50～55℃之間。
2.3 壓縮機(jī)功耗
圖8為熱氣旁通調(diào)節(jié)（Hot Gas Bypass）和常規(guī)冷庫（Normal）蒸發(fā)溫度和壓縮機(jī)功率的對(duì)比，常規(guī)冷庫制冷量不可靈活調(diào)節(jié)，蒸發(fā)溫度呈逐漸降低的趨勢(shì)，溫度難以保持一定精度的恒定，庫內(nèi)產(chǎn)品的貯藏品質(zhì)相對(duì)較差，同時(shí)頻繁的啟停壓縮機(jī)造成系統(tǒng)總體功耗較高。而帶有熱氣旁通的PID調(diào)節(jié)變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)中，壓縮機(jī)的功率低，蒸發(fā)溫度前期呈周期性變化，后期波動(dòng)逐漸穩(wěn)定，圖中蒸發(fā)溫度（HGB）波動(dòng)的范圍小于±3℃，保持庫溫穩(wěn)定的同時(shí)提高了整體系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)（COP），節(jié)約能源約9.7%。由于變?nèi)萘空{(diào)節(jié)設(shè)計(jì)大大減少了壓縮機(jī)的啟停，從而使其使用壽命得到延長，系統(tǒng)運(yùn)行更高效穩(wěn)定。
圖8 蒸發(fā)溫度及壓縮機(jī)功率Fig.8 Evaporation temperature and compressor power
3 結(jié)論
設(shè)計(jì)并研究了一種PID智能控制的變?nèi)萘坷鋬隼洳叵到y(tǒng)，該系統(tǒng)具有速凍、冰溫貯藏、壓差預(yù)冷等功能。通過CFD仿真來選取進(jìn)氣格柵的開孔率及尺寸最優(yōu)解，調(diào)整冷庫內(nèi)流場(chǎng)的均勻性，減小溫濕反饋的誤差。PID智能控制算法可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變?nèi)萘空{(diào)節(jié)，提高熱氣旁通的調(diào)節(jié)精度，穩(wěn)定蒸發(fā)溫度。本研究得到以下結(jié)論：
（1）通過ANSYSFluent使用K-epsilon湍流模型可以較準(zhǔn)確地得到冷庫內(nèi)的流場(chǎng)情況，通過設(shè)置送風(fēng)口開孔率0.9以及送風(fēng)口高度0.3 m，庫內(nèi)流場(chǎng)的均勻性較好，仿真結(jié)果和冷庫內(nèi)布置的熱線風(fēng)速儀測(cè)定數(shù)值誤差在9%以內(nèi)。
（2）采用PID控制算法結(jié)合電子膨脹閥和變頻壓縮機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)冰溫貯藏及冷凍等功能，結(jié)果顯示：蒸發(fā)器過熱度的波動(dòng)可控制在±0.1℃，溫度和相對(duì)濕度的控制精度分別可達(dá)到±0.2℃和±1%。
（3）熱氣旁通結(jié)合雙蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)滿足了制冷系統(tǒng)不同工況下制冷量的需求，冷庫溫度被精確控制的同時(shí)，壓縮機(jī)的排氣壓力和溫度都有所下降，系統(tǒng)COP值（制冷效率）得到提高，運(yùn)行過程中，壓縮機(jī)蒸發(fā)溫度前期呈周期性變化，之后逐漸振蕩減少趨于穩(wěn)定，整體運(yùn)行功率低，較傳統(tǒng)的雙機(jī)位系統(tǒng)功耗降低了約9.7%，有較好的節(jié)能效果。
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鮑 勇，賈一鳴，張晨思，蔡 茅，趙松松
（1.佛山市技師學(xué)院，廣東 佛山 528000；2.天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134；3.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）
冷庫作為冷凍冷藏業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠有效延長食品的保存期[1-5]，保證食品的外觀和營養(yǎng)成分不流失。冷庫在運(yùn)行時(shí)，貯藏量通常會(huì)有動(dòng)態(tài)的變化，如果系統(tǒng)的制冷量不能隨之進(jìn)行調(diào)整，就會(huì)造成冷庫運(yùn)行效率的下降。變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)通過壓縮機(jī)并聯(lián)、控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、壓縮機(jī)多氣缸切換或卸載等方法可以實(shí)現(xiàn)冷媒流量的調(diào)節(jié)，從而調(diào)整系統(tǒng)制冷量。冷媒流量的動(dòng)態(tài)變化需要較高精度的控制，否則容易造成庫溫和蒸發(fā)器過熱度波動(dòng)較大的問題。所以，變?nèi)萘扛呔瓤刂评鋷煜到y(tǒng)的研究對(duì)于提高冷庫適用范圍及降低貯藏成本具有重要意義。
目前常見的冷庫調(diào)節(jié)方法有壓縮機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、壓縮機(jī)變頻調(diào)節(jié)以及熱氣旁通調(diào)節(jié)。壓縮機(jī)并聯(lián)調(diào)節(jié)主要通過兩個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)的啟停來匹配系統(tǒng)的冷負(fù)荷變化。學(xué)者們研究了并聯(lián)壓縮機(jī)系統(tǒng)的控制技術(shù)，發(fā)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的壓縮機(jī)存在回油困難、回油不均的問題，而且制冷系統(tǒng)的成本會(huì)增加很多[6-8]。變頻壓縮機(jī)通過變頻器調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)庫溫的控制，Seibel等[9]、Hamad等[10]和Kuk等[11]對(duì)變頻壓縮機(jī)應(yīng)用于制冷系統(tǒng)中的情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)使用變頻壓縮機(jī)可以節(jié)約能源，一定程度上提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，但變頻壓縮機(jī)的使用需要增設(shè)各種閥件，增加了管路復(fù)雜程度，同時(shí)變頻器的電路板存在過熱失效的風(fēng)險(xiǎn)，增加了系統(tǒng)的故障率。有研究通過熱氣旁通來解決冷藏箱的結(jié)霜問題，并指出熱氣旁通開度和化霜效率之間存在的聯(lián)系[12-15]。目前國內(nèi)外針對(duì)熱氣旁通用于冷庫變?nèi)萘空{(diào)節(jié)的研究較少。熱氣旁通變?nèi)萘空{(diào)節(jié)容易使蒸發(fā)器的溫度產(chǎn)生波動(dòng)，如何精確地控制熱氣旁通的流量進(jìn)而穩(wěn)定蒸發(fā)器的溫度是目前研究的難點(diǎn)[16-18]。
本文通過熱氣旁通的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變?nèi)萘空{(diào)節(jié)。使用ANSYSFluent軟件對(duì)系統(tǒng)流場(chǎng)分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，以保證較好的溫度分布均勻性。將傳統(tǒng)熱力膨脹閥替換為電子膨脹閥，保證了溫控調(diào)節(jié)的精度與響應(yīng)速度。使用比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制邏輯來實(shí)時(shí)調(diào)整熱氣旁通高低溫制冷劑混合的比例，以達(dá)到不同貯藏溫度的需求。試驗(yàn)中通過對(duì)冷庫進(jìn)行速凍、冷凍、預(yù)冷功能的切換，查看庫溫的變化及波動(dòng)情況；在冷凍模式下設(shè)定溫度為-2℃，通過控溫后溫度波動(dòng)的大小來比較控制精度的高低；在相同的環(huán)境中控溫，比較傳統(tǒng)冷庫和變?nèi)萘坷鋷斓墓牟顒e。
1 冷凍冷藏系統(tǒng)
1.1 流場(chǎng)仿真
為了提高溫濕度控制的精度，庫體內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性需要得到控制，通過ANSYSFluent R18.2建立冷庫模型，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，從而對(duì)冷庫內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行模擬。通過調(diào)整頂部出風(fēng)口多孔材料的開孔率，使冷庫內(nèi)部氣流組織有較好的均勻性。在冷庫中和風(fēng)道處各布置5處熱線風(fēng)速儀，用于驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。
圖1為冷庫的外形結(jié)構(gòu)示意圖，外形尺寸長×寬×高=4.5 m×3.5 m×5.5 m，冷庫頂部分別為兩個(gè)條形送風(fēng)口，取送風(fēng)口的多孔結(jié)構(gòu)開孔率為0.9，送風(fēng)口寬0.3 m，頂部由兩臺(tái)冷風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)道進(jìn)行送風(fēng)，每臺(tái)最大風(fēng)量為10 000 m3/h，功率為400 W，冷風(fēng)由頂部送風(fēng)口吹出，再由冷庫底部回風(fēng)。
圖1 冷庫結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagramof cold storage structure
為取得較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，作以下假設(shè)：
（1）冷庫內(nèi)部空氣為不可壓縮的理想氣體；
（2）冷庫為空庫，不存放貨物；
（3）冷庫內(nèi)流場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。
數(shù)學(xué)模型采用工程上常用的K-epsilon（2 eqn），壓力及速度采用SIMPLE算法，動(dòng)量及能量方程用一階迎風(fēng)格式離散化，控制方程如下：
式中：ρ為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；φ為速度，m/s；溫度（K）等通用變量；V為各方向的速度，m/s；S為動(dòng)量或能量方程的源項(xiàng)，即控制方程中的非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)，動(dòng)量方程中源項(xiàng)的單位為N/m3，能量方程中源項(xiàng)的單位為W/m3。
邊界條件的設(shè)置如下：兩個(gè)風(fēng)機(jī)送風(fēng)口為入口邊界，采用入口速度3 m/s，溫度設(shè)置為0℃，冷庫下方回風(fēng)口為壓力出口條件，速度按無滑移條件處理，壁面各方向速度為0，其余參數(shù)條件取軟件默認(rèn)值。
1.2 制冷系統(tǒng)
如圖2所示，制冷系統(tǒng)采用VZH-044型丹佛斯變頻渦旋壓縮機(jī)，選用R404A制冷劑，系統(tǒng)包括3種運(yùn)行模式——高溫、中溫和低溫模式。配備大尺寸蒸發(fā)器和噴液冷卻器用于低溫模式，小尺寸蒸發(fā)器則用于高溫模式，同時(shí)除霜時(shí)蒸發(fā)器交替運(yùn)行。低溫模式時(shí)，制冷劑從儲(chǔ)液器進(jìn)入噴液冷卻器，實(shí)現(xiàn)過冷的效果，得到更低的蒸發(fā)溫度。部分制冷劑從噴液冷卻器中直接進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的排氣溫度得以降低，從而提高壓縮機(jī)的性能。
圖2 制冷系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagramof the refrigeration system
中溫模式下，在低溫模式的基礎(chǔ)上添加智能控制的熱氣旁通閥，電動(dòng)控制閥（ALCO-EX5）用來控制熱氣旁通，當(dāng)部分高溫高壓制冷劑和低溫低壓兩相制冷劑混合，相應(yīng)會(huì)增加蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度，實(shí)現(xiàn)中等負(fù)載下系統(tǒng)的運(yùn)行。高溫模式則將蒸發(fā)器轉(zhuǎn)換為小尺寸，通過智能控制的變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥來實(shí)現(xiàn)溫濕度的精準(zhǔn)控制，使蒸發(fā)溫度進(jìn)一步提高到0℃以上，達(dá)到對(duì)采后果蔬預(yù)冷和冰溫貯藏的目的。
在高溫模式下，冷庫對(duì)果蔬的預(yù)冷及冷藏能夠快速達(dá)到溫度的穩(wěn)定，一方面得益于PID控制邏輯的溫度調(diào)控；另一方面是由于制冷系統(tǒng)中采用了熱氣旁通來輔助控溫。庫內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）中，經(jīng)由PID控制邏輯處理后輸出調(diào)整后的庫溫，進(jìn)而改變熱氣旁通閥以及電磁膨脹閥的開度，熱氣旁通閥在系統(tǒng)從低溫或中溫模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷仡A(yù)冷模式時(shí)能起到快速調(diào)節(jié)庫溫的作用。傳統(tǒng)預(yù)冷庫通過控制壓縮機(jī)的啟停來調(diào)節(jié)庫溫，溫度波動(dòng)較大，且?guī)鞙睾茈y長時(shí)間地穩(wěn)定在設(shè)定值。本系統(tǒng)中通過電磁膨脹閥和PID控制邏輯相配合，相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)的熱力膨脹閥也較好地提高了溫控響應(yīng)的速度，縮短了溫度調(diào)節(jié)時(shí)間，使庫溫波動(dòng)快速趨于穩(wěn)定。
采用安裝在庫體頂部的多孔板進(jìn)行送風(fēng)，下方均勻布置加濕管道，庫體底部的側(cè)邊還均勻分布了許多百葉結(jié)構(gòu)，保證庫體內(nèi)部溫濕度的均勻性。采用益加義公司產(chǎn)的EE21型溫濕傳感器，并將5個(gè)分布在庫體內(nèi)的傳感器溫濕度的平均值作為庫體當(dāng)前的溫濕度參數(shù)。
除制冷系統(tǒng)外，冷庫還配備了除霜系統(tǒng)，在除霜開始運(yùn)行時(shí)，供風(fēng)機(jī)、回風(fēng)風(fēng)機(jī)和安裝在風(fēng)道中的電動(dòng)空氣閥均被關(guān)閉，以防止熱量和水汽進(jìn)入到貯藏室。隨后電加熱裝置運(yùn)行，循環(huán)風(fēng)機(jī)和裝在大容量蒸發(fā)器兩側(cè)的電動(dòng)空氣閥被開啟。電加熱裝置運(yùn)行期間，循環(huán)風(fēng)機(jī)使得熱氣流被迫在旁路進(jìn)行循環(huán)，達(dá)到除霜的效果。
1.3 熱氣旁通控制方法及邏輯
PID由于具有出色的控制效果和較強(qiáng)的魯棒性而得到廣泛的應(yīng)用。將PID邏輯控制應(yīng)用于系統(tǒng)旁通調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)旁路中，通過將部分高溫制冷劑和進(jìn)入蒸發(fā)器前的制冷劑混合，提高了進(jìn)入蒸發(fā)器前制冷劑的焓值。通過熱氣旁通閥對(duì)制冷劑混合的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，將貯藏庫溫度作為返回值和控制對(duì)象，由PID控制策略對(duì)旁通閥進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的庫體溫度。
由圖3所示，通過引入熱氣旁通的比例因子x，可以控制由壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體和經(jīng)熱氣旁通閥后的低溫低壓兩相工質(zhì)混合的比例，假設(shè)混合過程是絕熱，根據(jù)能量守恒及質(zhì)量守恒定律可得：
式中：x為工質(zhì)旁通比例因子；m為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；h為焓值，kJ/kg；Qevap為制冷量，kJ/s；COP為制冷性能系數(shù)；下標(biāo)數(shù)字代表熱氣旁通壓焓圖（圖3）中的各個(gè)過程。
圖3 制冷系統(tǒng)熱氣旁通壓焓圖Fig.3 Pressure and enthalpy diagramof refrigeration system with hot gas bypass
PID控制的旁通因子升高，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度會(huì)隨之升高，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式從低溫模式到高溫模式的轉(zhuǎn)換，同時(shí)冷凝器的熱負(fù)荷和壓縮機(jī)功率降低，既實(shí)現(xiàn)了溫度調(diào)節(jié)，又提高了運(yùn)行的效率。
由PID邏輯控制的電子膨脹閥能夠通過改變蒸發(fā)溫度進(jìn)而對(duì)庫溫進(jìn)行調(diào)整。與此同時(shí)，壓縮機(jī)的變頻器也會(huì)立即調(diào)節(jié)制冷劑流量從而控制過熱度的變化。制冷劑的流量則通過步進(jìn)電機(jī)直接控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)又會(huì)根據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊（EXD-U00）中的信息進(jìn)行工作。對(duì)于變速渦旋壓縮機(jī)，將冷庫的溫度設(shè)定為控制對(duì)象。渦旋壓縮機(jī)的頻率由變頻器驅(qū)動(dòng)（VLT-CDS803）控制在30～100 Hz之間。S7-300 PLC則用于控制基于PID理論的驅(qū)動(dòng)模塊和變頻器。
1.4 測(cè)試儀器及方法
冷庫內(nèi)的溫度采用PT100熱電偶進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，測(cè)溫范圍為-40～200℃，精度為0.5%。庫內(nèi)濕度采用工業(yè)濕度儀，量程為0～99，精度為±3%RH。庫內(nèi)流場(chǎng)速度值采用TES熱線風(fēng)速儀，測(cè)量范圍0～30 m/s,精度為3%。蒸發(fā)器的過熱度通過取測(cè)量蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度的差值求得。壓縮機(jī)功率由UNI-T功率計(jì)量插座得到，測(cè)量范圍為0.5～2 200 W，精度為1%。
上機(jī)位WINCC軟件用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)如壓縮機(jī)流量、溫度的監(jiān)控；S7-200 PLC實(shí)現(xiàn)熱氣旁通比例的精確控制，通過PID邏輯對(duì)電子膨脹閥進(jìn)行調(diào)控。
2 結(jié)果與分析
2.1 流場(chǎng)仿真結(jié)果
送風(fēng)格柵的開孔率以及尺寸大小直接影響了冷庫內(nèi)部的氣流分布情況，較好的風(fēng)機(jī)擺放位置及送風(fēng)回風(fēng)結(jié)構(gòu)可以使庫體內(nèi)部的流場(chǎng)更加均勻，有助于降低冷庫的能耗以及保證冷藏貨物的貯藏品質(zhì)，通過CFD軟件對(duì)庫內(nèi)的氣流組織情況進(jìn)行模擬，可優(yōu)化庫內(nèi)流場(chǎng)，改善庫溫不均的問題，提高控制的精度。庫體內(nèi)部矩陣分布設(shè)置5處風(fēng)速測(cè)速點(diǎn)，與最終仿真的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。
圖4為冷庫貯藏室的氣流速度云圖，冷藏庫體中的平均風(fēng)速約為1.28 m/s，風(fēng)道處的風(fēng)速平均為2.67 m/s。兩送風(fēng)口由于水平對(duì)稱布置，速度場(chǎng)呈現(xiàn)左右對(duì)稱分布，各自形成一個(gè)渦流，渦流的產(chǎn)生使得庫體內(nèi)部的氣流組織速度更加均勻，相比于一側(cè)進(jìn)風(fēng)一側(cè)出風(fēng)的設(shè)計(jì)，庫內(nèi)的溫濕度傳感器所得數(shù)據(jù)更加能代表庫體內(nèi)部整體的平均溫濕度，即整體溫度均勻性更高，從而使PID反饋數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，控制精度更高。
圖4 冷庫貯藏室的氣流速度Fig.4 Airflow velocity in thecold storageroom
表1為風(fēng)速儀的測(cè)量結(jié)果，貯藏庫內(nèi)部的平均送風(fēng)風(fēng)速為1.17 m/s，平均回風(fēng)風(fēng)速為2.76 m/s。因此可知，通過本仿真模型可以較為準(zhǔn)確地模擬貯藏冷庫內(nèi)部的流場(chǎng)分布，誤差在9%以內(nèi)，通過仿真結(jié)果對(duì)比確定當(dāng)送風(fēng)格柵開孔率為0.9，格柵高0.3 m時(shí)，庫內(nèi)的氣流組織有較好的均勻性。
表1 冷庫貯藏室風(fēng)速儀測(cè)定結(jié)果Table 1 Wind speed measured by anemometer in cold storage room 單位：m/s
2.2 控制響應(yīng)速度與精度
圖5顯示的是冷凍模式下系統(tǒng)蒸發(fā)器過熱度的變化。由圖可知，當(dāng)系統(tǒng)中控溫模式發(fā)生轉(zhuǎn)變或者庫溫發(fā)生變化時(shí)，PID邏輯控制的電子膨脹閥能夠迅速響應(yīng)，在7 min之內(nèi)將過熱度控制穩(wěn)定，控制的精度約為±0.1℃。圖6反映了貯藏室溫濕度隨時(shí)間變化的曲線，相對(duì)濕度設(shè)定為85%，控制精度在±1%以內(nèi)，并呈周期性波動(dòng)。經(jīng)過約25 min的PID調(diào)節(jié)，溫度最終穩(wěn)定，控制精度在±0.2℃以內(nèi)。
圖5 蒸發(fā)器過熱度變化Fig.5 Evaporator superheat changes
圖6 冷庫貯藏室溫濕度變化Fig.6 Temperature and relative humidity changesin cold storage room
圖7為速凍、冷凍、預(yù)冷3種模式的切換，在低溫模式，壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，約140 min后降溫至-30℃，滿足食品、藥品等產(chǎn)品的速凍需求，速凍后的食品需要在冷凍溫度下進(jìn)行儲(chǔ)藏；切換到冷凍模式，PLC控制熱氣旁通閥開度，在進(jìn)入壓縮機(jī)前的制冷劑中混入一定比例的高溫高壓制冷劑，從而快速調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度，蒸發(fā)器的溫度高于貯藏室溫，其熱量將被貯藏室吸收，進(jìn)而導(dǎo)致貯藏室的溫度提高，經(jīng)過一段時(shí)間的溫升，庫溫逐漸穩(wěn)定在-18℃，即進(jìn)入冷凍狀態(tài)。之后打開庫門，轉(zhuǎn)換運(yùn)行蒸發(fā)器為小尺寸，這樣可進(jìn)一步提高庫溫，使庫內(nèi)溫度平衡在4℃左右，此時(shí)冷庫可以滿足差壓預(yù)冷的功能，對(duì)剛采摘的果蔬進(jìn)行預(yù)冷。
圖7 壓縮機(jī)排氣溫度及冷庫溫度Fig.7 Compressor discharge temperature and cold storage temperature
相比傳統(tǒng)冷凍庫通過單純的變頻控制難以快速地響應(yīng)運(yùn)行模式的切換，此變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)從-31℃升溫到-18℃只需要10 min，此時(shí)壓縮機(jī)的排氣壓力迅速降低，排氣溫度也同時(shí)有較大降低。智能控制的熱氣旁通閥使得貯藏庫的溫度保持穩(wěn)定，溫度波動(dòng)低于0.4℃。在速凍過程中壓縮機(jī)排氣溫度超過60℃，而在冷凍過程中，PID算法控制的電子膨脹閥最終將溫度保持在50～55℃之間。
2.3 壓縮機(jī)功耗
圖8為熱氣旁通調(diào)節(jié)（Hot Gas Bypass）和常規(guī)冷庫（Normal）蒸發(fā)溫度和壓縮機(jī)功率的對(duì)比，常規(guī)冷庫制冷量不可靈活調(diào)節(jié)，蒸發(fā)溫度呈逐漸降低的趨勢(shì)，溫度難以保持一定精度的恒定，庫內(nèi)產(chǎn)品的貯藏品質(zhì)相對(duì)較差，同時(shí)頻繁的啟停壓縮機(jī)造成系統(tǒng)總體功耗較高。而帶有熱氣旁通的PID調(diào)節(jié)變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)中，壓縮機(jī)的功率低，蒸發(fā)溫度前期呈周期性變化，后期波動(dòng)逐漸穩(wěn)定，圖中蒸發(fā)溫度（HGB）波動(dòng)的范圍小于±3℃，保持庫溫穩(wěn)定的同時(shí)提高了整體系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)（COP），節(jié)約能源約9.7%。由于變?nèi)萘空{(diào)節(jié)設(shè)計(jì)大大減少了壓縮機(jī)的啟停，從而使其使用壽命得到延長，系統(tǒng)運(yùn)行更高效穩(wěn)定。
圖8 蒸發(fā)溫度及壓縮機(jī)功率Fig.8 Evaporation temperature and compressor power
3 結(jié)論
設(shè)計(jì)并研究了一種PID智能控制的變?nèi)萘坷鋬隼洳叵到y(tǒng)，該系統(tǒng)具有速凍、冰溫貯藏、壓差預(yù)冷等功能。通過CFD仿真來選取進(jìn)氣格柵的開孔率及尺寸最優(yōu)解，調(diào)整冷庫內(nèi)流場(chǎng)的均勻性，減小溫濕反饋的誤差。PID智能控制算法可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變?nèi)萘空{(diào)節(jié)，提高熱氣旁通的調(diào)節(jié)精度，穩(wěn)定蒸發(fā)溫度。本研究得到以下結(jié)論：
（1）通過ANSYSFluent使用K-epsilon湍流模型可以較準(zhǔn)確地得到冷庫內(nèi)的流場(chǎng)情況，通過設(shè)置送風(fēng)口開孔率0.9以及送風(fēng)口高度0.3 m，庫內(nèi)流場(chǎng)的均勻性較好，仿真結(jié)果和冷庫內(nèi)布置的熱線風(fēng)速儀測(cè)定數(shù)值誤差在9%以內(nèi)。
（2）采用PID控制算法結(jié)合電子膨脹閥和變頻壓縮機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)冰溫貯藏及冷凍等功能，結(jié)果顯示：蒸發(fā)器過熱度的波動(dòng)可控制在±0.1℃，溫度和相對(duì)濕度的控制精度分別可達(dá)到±0.2℃和±1%。
（3）熱氣旁通結(jié)合雙蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)滿足了制冷系統(tǒng)不同工況下制冷量的需求，冷庫溫度被精確控制的同時(shí)，壓縮機(jī)的排氣壓力和溫度都有所下降，系統(tǒng)COP值（制冷效率）得到提高，運(yùn)行過程中，壓縮機(jī)蒸發(fā)溫度前期呈周期性變化，之后逐漸振蕩減少趨于穩(wěn)定，整體運(yùn)行功率低，較傳統(tǒng)的雙機(jī)位系統(tǒng)功耗降低了約9.7%，有較好的節(jié)能效果。
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